[论文解读] Describing the response of saturated SiPMs

K. Kotera, Weonseok Choi+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2015

Semiconductor materials and interfaces参考文献 4被引用 11

一句话总结

本文提出了一种改进的解析函数 NLO′_C·A，通过在单个光脉冲期间引入像素恢复动力学，能够准确建模 SiPM 在低光强和高度饱和光强下的响应。该模型仅使用七个拟合参数，即可实现高光强下信号的线性增加——与实际 SiPM 行为一致，显著优于标准 LO′ 模型，同时保持了适用于探测器校准的实际简洁性。

ABSTRACT

We have developed a function which describes SiPM response in both small signal and highly saturated regimes. The function includes the reactivation of SiPM pixels during a single input light pulse, and results in an approximately linear increase of SiPM response in the highly saturated regime, as observed in real SiPMs. This article shows that the function can accurately describe the measured response of real SiPM devices over a wide range of signal intensities.

研究动机与目标

• 为解决 SiPM 在高光强下非线性响应的问题，特别是其在饱和状态下观察到的信号线性增加现象。
• 开发一种简化但精确的函数，以捕捉单个光脉冲期间的像素恢复过程，而标准 LO′ 模型无法描述此现象。
• 提供一种适用于实验物理中真实 SiPM 校准的实用且参数高效的函数。
• 量化恢复动力学、串扰和后脉冲效应对不同器件与闪烁体配置下 SiPM 响应的影响。

提出的方法

• 作者提出一种改进函数 NLO′_C·A，通过引入基于像素恢复比 α 和时间依赖因子 β 的恢复项，扩展了 LO′ 模型，以模拟单个脉冲中像素的多次触发。
• 模型整合了串扰（P_cross）和后脉冲（P_after）参数，通过实验数据拟合以考虑二次和延迟的光子探测事件。
• 实验数据来自 73 个 SiPM 器件（1600 像素 MPPC），采用波长位移光纤耦合闪烁体条和直接 MPPC-闪烁体耦合，激光脉宽为 31 ps FWHM。
• 使用电荷灵敏 ADC 在 150 ns 内积分电荷，将输出信号转换为有效触发像素数，并以已知线性响应的 PMT 作为参考进行校准。
• 拟合采用七参数函数，包含 N_pix、ε（有效探测效率）、α（恢复比）、β（调节因子），以及用于串扰和后脉冲的 P_cross 和 P_after。
• 通过先前测得的增益与温度之间的线性关系，应用温度依赖的增益校正，确保测量间的一致性校准。

实验结果

研究问题

• RQ1 当标准 LO′ 模型无法再现观测到的信号线性增加时，如何准确建模 SiPM 在高度饱和区域的响应？
• RQ2 单个光脉冲期间的像素恢复在高光子通量下对 SiPM 响应函数的形成起何种作用？
• RQ3 恢复比 α 和调节因子 β 等参数如何影响 SiPM 的高光强响应行为？
• RQ4 串扰和后脉冲参数在多大程度上扭曲拟合函数？它们在不同 SiPM 和闪烁体配置下如何变化？
• RQ5 仅使用七个参数的简化函数能否在真实实验中同时实现准确性和实用性？

主要发现

• NLO′_C·A 模型成功描述了 SiPM 在宽动态范围内的响应，包括在高饱和水平下实验观测到的信号线性增加。
• 在 72 个样本中，恢复比 α 测得为 0.295 ± 0.04（RMS），在直接 MPPC-闪烁体耦合中降低至 0.24 ± 0.02，表明脉冲持续时间缩短时恢复受到更强抑制。
• 调节因子 β 为 11.7 ± 2.7（RMS），在直接耦合中降低至 6.9 ± 0.6，表明脉冲波形对恢复动力学的影响更显著。
• 串扰参数 P_cross 在 72 个样本中的平均值为 0.22，高于直接测量值 0.11 ± 0.02，表明拟合中可能存在系统性偏差。
• 后脉冲参数 P_after 波动较大（RMS 0.17，平均 0.08），其中 29% 的样本得到负值——这在真实后脉冲中不可能出现——凸显了拟合中的系统不确定性。
• 尽管参数存在波动，当考虑系统不确定性时，模型的 reduced χ² 接近于 1，表明与实验数据高度一致。